CN102209124B - 私网与公网通信的方法及网络地址转换设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了私网与公网通信的方法及网络地址转换设备。方法包括：NAT设备对所有LAN口进行二层隔离处理；NAT设备接收私网主机发来的DHCP请求消息，将自己的公网IP地址分配给主机，将自己的上行路由器的IP地址作为主机的网关的IP地址返回给主机，同时为主机分配TCP和UDP端口范围；NAT设备接收私网主机发来的携带主机的网关的IP地址的ARP请求消息，将LAN口的虚接口MAC地址作为主机的网关的MAC地址返回给主机；NAT设备接收主机发来的TCP或UDP报文，报文的源IP地址为NAT设备为主机分配的IP地址，报文的目的MAC地址为主机的网关的MAC地址，根据报文的目的MAC地址将该报文转发出去。本发明无需NAT设备进行IP地址转换和ALG处理，就可实现私网与公网间的通信。

Description

私网与公网通信的方法及网络地址转换设备
技术领域
本发明涉及数据通信技术领域，具体涉及私网与公网通信的方法及网络地址转换(NAT，Network Address Translation)设备。
背景技术
NAT是将因特网协议(IP，Internet Protocol)数据报文头中的IP地址转换为另一个IP地址的过程。在实际应用中，NAT主要用于实现私有网络访问公共网络的功能。这种通过使用少量的公网IP地址代表较多的私网IP地址的方式，将有助于减缓可用IP地址空间的枯竭。
图1给出了一个现有的典型的NAT组网和转换示意图，如图1所示，主机A或B发送的传输控制协议(TCP，Transmission Control Protocol)/用户数据报协议(UDP，User Datagram Protocol)报文的源地址和源端口都会被NAT设备转换，若在报文的应用层中含有地址信息，则NAT需要进一步做应用网关(ALG，Application Layer Gateway.)处理，将应用层中的私网地址转换成公网地址。
NAT不但消耗了NAT设备的中央处理单元(CPU，Central ProcessingUnit)能力，且需要NAT设备能识别应用层协议；另外，NAT设备无法处理某些加密报文，破坏了IP网络端到端的应用模型。
发明内容
本发明提供私网与公网通信的方法及NAT设备，以在NAT组网下不做IP地址转换和ALG处理，就可实现私网与公网间的通信。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种私网与公网通信的方法，网络地址转换NAT设备对自己的所有局域网LAN口进行二层隔离处理，该方法包括：
NAT设备接收私网内的主机发来的动态主机配置协议DHCP请求消息，将自己的公网IP地址作为主机的IP地址分配给主机，将自己的上行路由器的IP地址作为主机的网关的IP地址返回给主机，同时为主机分配传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP端口范围；
NAT设备接收私网内的主机发来的携带主机的网关的IP地址的地址解析协议ARP请求消息，将LAN口的虚接口媒体访问控制MAC地址作为主机的网关的MAC地址返回给主机；
NAT设备接收主机发来的TCP或UDP报文，该报文的源IP地址为NAT设备为主机分配的IP地址，报文的目的MAC地址为主机的网关的MAC地址，NAT设备根据报文的目的MAC地址将该报文转发出去。
所述NAT设备为主机分配TCP和UDP端口范围进一步包括：
NAT设备将主机的IP地址、TCP和UDP端口范围、MAC地址、LAN口信息作为一条新的租约表项添加到DHCP租约表中；
且，所述方法进一步包括：
当NAT设备接收到公网服务器发来的TCP或UDP报文时，根据报文的目的端口号在DHCP租约表中查找到对应的主机LAN口号和MAC地址，根据该主机LAN口号和MAC地址，将报文发送给对应的主机。
所述NAT设备将自己的上行路由器的IP地址同时作为主机的网关的IP地址和DHCP服务器的IP地址返回给主机；
所述NAT设备将LAN口的虚接口MAC地址同时作为主机的网关的MAC地址和DHCP服务器的MAC地址返回给主机。
一种NAT设备，包括：
二层隔离处理模块：对本设备的所有LAN口进行二层隔离处理；
DHCP服务器代理模块：接收私网内的主机发来的DHCP请求消息，将本设备的公网IP地址作为主机的IP地址分配给主机，将本设备的上行路由器的IP地址作为主机的网关的IP地址返回给主机，同时为主机分配TCP和UDP端口范围；
ARP代理模块：接收私网内的主机发来的携带主机的网关的IP地址的ARP请求消息，将LAN口的虚接口MAC地址作为主机的网关的MAC地址返回给主机；
报文处理模块：接收主机发来的TCP或UDP报文，该报文的源IP地址为本设备为主机分配的IP地址，报文的目的MAC地址为主机的网关的MAC地址，根据报文的目的MAC地址将该报文转发出去。
所述设备进一步包括：DHCP租约表模块，用于存储DHCP租约表；
且，所述DHCP服务器代理模块进一步用于，在为主机分配TCP和UDP端口范围后，将主机的IP地址、TCP和UDP端口范围、MAC地址、LAN口信息作为一条新的租约表项添加到DHCP租约表模块中；
且，所述报文处理模块进一步用于，当接收到公网服务器发来的TCP或UDP报文时，根据报文的目的端口号在DHCP租约表模块中查找到对应的主机LAN口号和MAC地址，根据该主机LAN口号和MAC地址，将报文发送给对应的主机。
所述DHCP服务器代理模块将本设备的上行路由器的IP地址同时作为主机的网关的IP地址和DHCP服务器的IP地址返回给主机；
且，所述ARP代理模块将LAN口的虚接口MAC地址同时作为主机的网关的MAC地址和DHCP服务器的MAC地址返回给主机。
与现有技术相比，本发明中，在不增加公网IP地址消耗的前提下，NAT设备无需作地址和端口转换，也无需做ALG处理，降低了NAT设备的CPU消耗，并能维持IP网络端到端的特性。
附图说明
图1为现有的典型的NAT组网和转换示意图；
图2为本发明实施例提供的私网与公网通信的方法流程图；
图3为应用本发明的一个示例图；
图4为本发明实施例提供的NAT设备的组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。
图2为本发明实施例提供的私网与公网通信的方法流程图，如图2所示，其具体步骤如下：
步骤201：NAT设备对自己的所有局域网(LAN，Local Area Network)口进行端口隔离处理，以将所有LAN口下挂的不同主机二层隔离开来。
在普通家庭组网或小型局域网中，主机之间基本无通信需求，主要业务为访问外网的TCP或UDP应用，例如WEB、简单邮件传输协议(SMTP，Simple Mail Transfer Protocol)等，其组网中，由网关路由器作为NAT设备，用LAN口连接主机，用WAN口连接上行设备。
步骤202：主机发出动态主机配置协议(DHCP，Dynamic HostConfiguration Protocol)请求消息，该消息携带主机的媒体访问控制(MAC，Media Access Control)地址，该消息经由NAT设备的LAN口到达NAT设备。
步骤203：NAT设备接收到主机发来的DHCP请求消息，将自己的公网IP地址分配给主机，将为主机分配的该公网IP地址填充到DHCP响应消息中，并将自己的上行路由器的IP地址作为DHCP服务器的IP地址以及主机的网关的IP地址填充到DHCP响应消息中，同时，为该主机分配TCP和UDP端口范围，将该TCP和UDP端口范围信息填充到DHCP响应消息中，将DHCP响应消息返回给主机，NAT设备将主机的IP地址、TCP和UDP端口范围、MAC地址、LAN口号、租约时长作为一项新的租约信息增加到DHCP租约表中。
这里，需要在DHCP响应消息中增加一个扩展选项，该选项为类型长度值(TLV，Type Length and Value)格式，以用来携带为主机分配的TCP和UDP端口范围信息，其中，类型值取当前DHCP未定义的值即可。为不同主机分配的TCP和UDP端口范围互不重叠。
步骤204：主机发送地址解析协议(ARP，Address Resolution Protocol)请求消息，该消息携带DHCP服务器及主机的网关的IP地址，该消息经由NAT设备的LAN口到达NAT设备。
由于DHCP服务器的IP地址与主机的网关的IP地址相同，所以主机只需发送一条ARP请求消息请求解析该IP地址，就可以得到DHCP服务器及主机的网关的MAC地址了。
步骤205：NAT设备接收到主机发来的ARP请求消息，将LAN口的虚MAC地址作为DHCP服务器及主机的网关的MAC地址携带在ARP响应消息中返回给主机。
这样，此后主机发送DHCP租约消息时，会以本步骤中的DHCP服务器的MAC地址作为目的MAC地址；在发送TCP或UDP报文时，会以自己的网关的MAC地址作为目的MAC地址，从而，DHCP租约消息、TCP或UDP报文都会被发送至NAT设备。
步骤206：主机根据NAT设备为自己分配的TCP和UDP端口范围，发出TCP或UDP报文，报文的源IP地址为自己的公网IP地址，源MAC地址为自己的MAC地址，报文的目的IP地址为目的设备的IP地址，报文的目的MAC地址为本主机的网关的MAC地址。
步骤207：NAT设备从LAN口接收主机发来的TCP或UDP报文，将该报文转发给自己的上行路由器。
步骤208：NAT设备从广域网(WAN，Wide Area Network)口接收公网服务器发来的TCP或UDP报文，报文的目的IP地址为主机的公网IP地址，NAT设备根据报文的目的TCP或UDP端口号查找DHCP租约表，查找到对应的主机的LAN口号和主机的MAC地址，根据主机的LAN口号和MAC地址将该报文转发给主机。
以下给出应用本发明的一个示例：
如图3所示，NAT设备的LAN口1下挂主机A，LAN口2下挂主机B，主机A的MAC地址为0-0-1，主机B的MAC地址为0-0-2，NAT设备的公网IP地址为20.1.1.2，NAT设备的上行路由器的IP地址为20.1.1.1。
首先，NAT设备会对LAN口1、2进行二层隔离，以将主机A、B二层隔离开来。
之后，当NAT设备接收到主机A发来的DHCP请求消息时，将自己的公网IP地址：20.1.1.2分配给主机A，同时将上行路由器的IP地址：20.1.1.1作为DHCP服务器的IP地址及主机A的网关的IP地址返回给主机A，同时为主机A分配TCP/UDP端口范围：1024～2047，将主机A的公网IP地址、TCP和UDP端口范围、MAC地址、LAN口号和租约时长增加到DHCP租约表中；
DHCP租约表如表1所示：
Figure BSA00000512972200061
表1  DHCP租约表1
当NAT设备接收到主机B发来的DHCP请求消息时，将自己的公网IP地址：20.1.1.2分配给主机B，同时将上行路由器的IP地址：20.1.1.1作为DHCP服务器的IP地址及主机的网关的IP地址返回给主机B，同时为主机B分配TCP/UDP端口范围：2048～3071，将主机B的公网IP地址、TCP和UDP端口范围、MAC地址、LAN口号和租约时长增加到DHCP租约表中。
此时，DHCP租约表如表2所示：
Figure BSA00000512972200062
表2  DHCP租约表2
之后，当NAT设备接收到主机A、B发来的ARP请求消息时，消息中携带DHCP服务器及主机的网关的IP地址：20.1.1.1，NAT设备将LAN口的虚接口MAC地址作为DHCP服务器及主机的网关的MAC地址分配给主机A、B。
此后，当主机A、B发出TCP或UDP报文时，会以自己的公网IP地址：20.1.1.2作为源IP地址，会以NAT设备为自己分配的TCP和UDP端口范围中的一个端口号作为源TCP或UDP端口号，会以自己的网关的MAC地址作为目的MAC地址，报文到达NAT设备后，NAT设备会将报文转发至上行路由器；
当公网服务器发给主机A或B的TCP或UDP报文到达NAT设备后，NAT设备会根据报文的目的TCP或UDP端口号，在DHCP租约表中查找到对应的主机的LAN口号和MAC地址，从而将报文发送给对应的主机。例如：公网服务器发出一个目的IP地址为20.1.1.2，目的端口号为1024的TCP报文，该报文到达NAT设备后，NAT设备根据目的端口号1024查找DHCP租约表，查找到主机的LAN口号为1，主机的MAC地址为0-0-1，则将该报文从LAN口1转发给主机A；公网服务器发出一个目的IP地址为20.1.1.2，目的端口号为2048的TCP报文，该报文到达NAT设备后，NAT设备根据目的端口号2048查找DHCP租约表，查找到主机的LAN口号为2，主机的MAC地址为0-0-2，则将该报文从LAN口2转发给主机B。
图4为本发明实施例提供的NAT设备的组成示意图，如图4所示，其主要包括：二层隔离处理模块41、DHCP服务器代理模块42、DHCP租约表模块43、ARP代理模块44和报文处理模块45，其中：
二层隔离处理模块41：对本设备的所有LAN口进行二层隔离处理。
DHCP服务器代理模块42：接收私网内的主机发来的DHCP请求消息，将本设备的公网IP地址作为主机的IP地址分配给主机，将本设备的上行路由器的IP地址作为DHCP服务器的IP地址及主机的网关的IP地址返回给主机，同时为主机分配TCP和UDP端口范围，将主机的IP地址、TCP和UDP端口范围、MAC地址、LAN口信息作为一条新的DHCP租约表项添加到DHCP租约表模块43中。
DHCP租约表模块43：存储DHCP租约表。
ARP代理模块44：接收私网内的主机发来的携带DHCP服务器及主机的网关的IP地址的ARP请求消息，将LAN口的虚接口MAC地址作为DHCP服务器及主机的网关的MAC地址返回给主机。
报文处理模块45：接收主机发来的TCP或UDP报文，该报文的源IP地址为本设备为主机分配的IP地址，报文的目的MAC地址为主机的网关的MAC地址，根据报文的目的MAC地址将该报文转发出去；接收公网服务器发来的TCP或UDP报文，根据报文的目的端口号在DHCP租约表模块43中查找到对应的主机LAN口号和MAC地址，根据该主机LAN口号和MAC地址，将报文发送给对应的主机。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种私网与公网通信的方法，其特征在于，网络地址转换NAT设备对自己的所有局域网LAN口进行二层隔离处理，该方法包括：
NAT设备从LAN口接收私网内的主机发来的动态主机配置协议DHCP请求消息，将自己的公网IP地址作为主机的IP地址分配给主机，将自己的上行路由器的IP地址作为主机的网关的IP地址返回给主机，同时为主机分配传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP端口范围，将主机的IP地址、TCP和UDP端口范围、MAC地址、LAN口信息作为一条新的租约表项添加到DHCP租约表中；其中，为不同主机分配的TCP和UDP端口范围互不重叠；
NAT设备接收私网内的主机发来的携带主机的网关的IP地址的地址解析协议ARP请求消息，将LAN口的虚接口媒体访问控制MAC地址作为主机的网关的MAC地址返回给主机；
NAT设备从LAN口接收主机发来的TCP或UDP报文，该报文的源IP地址为NAT设备为主机分配的IP地址，报文的目的MAC地址为主机的网关的MAC地址，NAT设备根据报文的目的MAC地址将该报文转发出去；
当NAT设备接收到公网服务器发来的TCP或UDP报文时，根据报文的目的端口号在DHCP租约表中查找到对应的主机LAN口号和MAC地址，根据该主机LAN口号和MAC地址，将报文发送给对应的主机。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述NAT设备将自己的上行路由器的IP地址同时作为主机的网关的IP地址和DHCP服务器的IP地址返回给主机；
所述NAT设备将LAN口的虚接口MAC地址同时作为主机的网关的MAC地址和DHCP服务器的MAC地址返回给主机。
3.一种NAT设备，其特征在于，包括：
二层隔离处理模块：对本设备的所有LAN口进行二层隔离处理；
DHCP服务器代理模块：从LAN口接收私网内的主机发来的DHCP请求消息，将本设备的公网IP地址作为主机的IP地址分配给主机，将本设备的上行路由器的IP地址作为主机的网关的IP地址返回给主机，同时为主机分配TCP和UDP端口范围，将主机的IP地址、TCP和UDP端口范围、MAC地址、LAN口信息作为一条新的租约表项添加到DHCP租约表模块中；其中，为不同主机分配的TCP和UDP端口范围互不重叠；
ARP代理模块：接收私网内的主机发来的携带主机的网关的IP地址的ARP请求消息，将LAN口的虚接口MAC地址作为主机的网关的MAC地址返回给主机；
报文处理模块：从LAN口接收主机发来的TCP或UDP报文，该报文的源IP地址为本设备为主机分配的IP地址，报文的目的MAC地址为主机的网关的MAC地址，根据报文的目的MAC地址将该报文转发出去；当接收到公网服务器发来的TCP或UDP报文时，根据报文的目的端口号在DHCP租约表模块中查找到对应的主机LAN口号和MAC地址，根据该主机LAN口号和MAC地址，将报文发送给对应的主机；
DHCP租约表模块：存储DHCP租约表。
4.根据权利要求3所述的NAT设备，其特征在于，所述DHCP服务器代理模块将本设备的上行路由器的IP地址同时作为主机的网关的IP地址和DHCP服务器的IP地址返回给主机；
且，所述ARP代理模块将LAN口的虚接口MAC地址同时作为主机的网关的MAC地址和DHCP服务器的MAC地址返回给主机。
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